Ионизирующее излучение.

Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения: коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучения), потоки заряженных частиц: бета-частиц (электронов и позитронов), альфа-частиц (ядер атома гелия-4), протонов, других ионов, мюонов и других, а также нейтронов. Основными характеристиками ионизирующего излучения являются энергия частиц, их пробег в разных средах или проникающая способность, а также их ионизирующая способность (особенно в смысле опасности для биологических объектов). Гамма-лучи, альфа- и бета-частицы обладают различной проникающей способностью. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути. И поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь. Пробег альфа-частицы в воздухе не превышает нескольких сантиметров; бета-частицы могут пройти в воздухе несколько метров, а гамма-кванты – десятки, сотни метров. При внешнем облучении человека альфа-частицы полностью задерживаются поверхностным слоем кожи; бета-частицы не могут проникнуть в глубь человеческого организма больше, чем на несколько миллиметров; гамма-кванты способны вызвать облучение всего тела. Из-за малой массы (она в 1836 раз меньше массы протона) заряда (-1) и размеров бета-частицы слабее взаимодействуют с веществом, через которое им приходится лететь, но летят дальше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Поэтому говорят о их проникающей способности, которая также зависит от энергии. Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2-3 м, в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах - долями см. В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1-2 см. Хорошей защитой от бета-излучения является слой воды в несколько (до 10) см. Поток бета-частиц с весьма большой для естественного распада энергией в 10 МэВ практически полностью поглощается слоями: воздуха - 4 м; алюминия - 2,16 см; железа - 7,55 мм; свинца - 5,18 мм. Из-за малых размеров, массы и заряда бета-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы. Но при попадании внутрь бета-активные изотопы гораздо опаснее, чем при внешнем облучении. Наиболее проникающим видом излучения является гамма-излучение. Пробег его частиц в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности. У большинства изотопов энергия гамма-квантов не превышает 1-3 МэВ, хотя очень редко может достигать и больших величин – 6-7 МэВ. Поэтому в качестве защиты от гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали. По механизму взаимодействия ионизирующего излучения с веществом выделяют непосредственно (потоки заряженных частиц) и косвенно ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов). По механизму образования — первичное (рождённое в источнике) и вторичное (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом) ионизирующее излучение. Источником ионизирующего излучения называют объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать ионизирующее излучение. Различают два вида источников ионизирующего излучения: искусственные и естественные. Искусственными источниками ионизирующего излучения являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа- бета- и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение). Биосфера Земли постоянно подвергается действию ионизирующего излучения, в том числе космического, альфа-, бета- и гамма-излучения многочисленных радионуклидов, рассеянных в земных породах, воде подземных источников, рек, морей и океанов, в воздухе, а также входящих в состав живых организмов. Совокупность этих видов ионизирующего излучения получила название природного или естественного радиоактивного фона. Человек всегда был подвержен действию естественной радиации. Он подвергается воздействию космического излучения. Радиоактивные вещества находятся в земле, в зданиях, в которых мы живем, а также в пище и воде, которые мы потребляем. Радиоактивные газы находятся в воздухе, которым мы дышим. Сам человек тоже радиоактивен, т. к. в живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Уровни этой естественной или «фоновой» радиации колеблются в значительных пределах. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиация действует снаружи — внешнее облучение. Если же радиоактивные вещества, находящиеся в воздухе, пище, воде, попадают внутрь организма - это внутреннее облучение. Большей частью (около 68%) радиация исходит от природных радиоактивных веществ, окружающих нас и находящихся внутри нас, но примерно 18% связано с медицинскими процедурами (такой, как рентгеноскопия), а 13% приходит извне в виде космических лучей. Внешние радиационные поражения можно классифицировать как вызываемые либо глубоко проникающей радиацией (гамма- и рентгеновские лучи, нейтроны), либо неглубоко проникающей радиацией (бета-частицы с высокой энергией, электроны). Глубоко проникающее излучение может достичь, а, следовательно, и повредить любые ткани и органы тела. Ионизирующие излучения применяются в различных отраслях тяжёлой (интроскопия, диагностика материалов) и пищевой (стерилизация инструментов, расходных материалов и продуктов питания) промышленности, а также в медицине (облучение злокачественных опухолей с целью уничтожения злокачественных клеток, ионизация воздуха). Но среди многочисленных и разнообразных сфер деятельности человека, связанных с использованием источников ионизирующих излучений, медицинская рентгенология занимает особое место.

Моя мама – врач рентгенолог, и мне с детства было интересно рассматривать причудливые «картинки» с изображениями костей, внутренних органов человека. Но я никак не могла понять, каким образом они получаются. Как можно увидеть то, что находится внутри? Повзрослев, я заинтересовалась этим вопросом и узнала, что рентгеновские снимки получаются прохождением небольшого пучка ионизированного (рентгеновского) излучения через организм, после чего на экране и на плёнке (после её обработки) возникает рентгеновское изображение.
В своей работе я хочу остановиться именно на рентгенологии. Так как рентгенологические методы, обладая высокой информативностью и широкими, а во многих случаях и уникальными диагностическими возможностями, играют главную роль в распознавании заболеваний и повреждений органов и систем человека.

Открытие рентгеновых лучей. Рентгеновы лучи были открыты профессором физики Вюрцбургского университета Вильгельмом Кондратом Рентгеном 8 ноября 1895 года при изучении им явлений, возникающих в момент прохождения электрического разряда сквозь разряженные газы. Рентген заметил, что всякий раз, когда ток высокого напряжения, исходившей из катушки Румкорфа, проскакивал через круксову (вакуумную) трубку, вспыхивали зеленоватым светом случайно находившиеся вблизи кристаллы платиносинеродистого бария.
Свечение кристаллов платиносинеродистого бария появлялось и при пропускании тока через трубку, завёрнутую в черную бумагу. Оно происходило, хотя слабее, если трубку отгораживали от кристаллов книгой, деревом, и совсем прекращалось, если между трубкой и кристаллом ставили пластину из свинца или платины.
Рентген пришёл к заключению, что в момент прохождения тока высоко напряжения через вакуумную трубку в ней возникают какие-то лучи, способные проходить не только через бумагу, но через многие толстые предметы. Пользуясь в своих опытах флюоресцирующим экраном – картоном, покрытым платиносинеродистым барием, - он заметил, что кисть руки, поставленная на пути лучей, вызывала на экране тень, в которой ясно различалось изображение костей.

Аппарат Рентгена и первая рентгенограмма, полученная В.К.Рентгеном в 1895 году.
Обнаруженное Рентгеном явление было новым, никем не отмеченным, не изученным, несмотря на то, что многие физики того времени занимались опытами с прохождением тока высоко напряжения через вакуумные трубки.
Открытие Рентгеном лучей было подготовлено предшествующим ходом развития науки и техники. Многие физики того времени энергично изучали явления, возникающие в вакуумных трубках Гейслера, Крукса при прохождении через них тока высокого напряжения. В то время были созданы мощные генераторы токов высокого напряжения – катушки Румкорфа. Интерес к изучению электрических явлений был вызван великими открытиями в электротехнике, например вольтовой дуги В.В.Петровым, лампочки накаливания А.Н. Ладыгиным, электрической свечи П.Н. Яблочковым.
Рентген решил опубликовать открытие им лучей лишь после всестороннего изучения. 23 января 1896 года состоялся доклад Рентгена о новых лучах, обладающих способностью, проходя через многие непрозрачные тела, давать тени предметов на флюоресцирующем экране и их изображения на фотографической пластинке. В присутствии слушателей был произведён снимок руки председательствовавшего на этом заседании известного анатома-гистолога Келликера, проявлен и продемонстрирован, что произвело потрясающее впечатление. Келликер, отметив огромное значение этого открытия, предложил назвать обнаруженные лучи по имени автора – рентгеновыми. Сам Рентген назвал их Х-лучами, т.е. неизвестными, так как их природа не была выяснена, и предсказывал, что они приобретут большое значение в медицине.
Сразу же после опубликования рентгеновых лучей их стали с большим интересом изучать учёные – физики, химики, врачи. В научной литературе появилось множество работ о рентгеновых лучах; в первый год после их открытия появилось свыше тысячи работ и много монографий по изучению рентгеновых лучей и применению их в медицине.
Вначале, естественно, результаты применения рентгеновых лучей в медицинской практике были весьма скромные. Но уже вскоре, по мере усовершенствования аппаратуры, появились весьма серьёзные исследования. Так, в первый год после открытия рентгеновых лучей были произведены снимки беременных, на которых различались кости плода, а также снимки камней почек, снимки грудной клетки и другие.
В следующие годы происходит беспримерное бурное развитие рентгенологии: рентгеновы лучи применяют в медицине, изучают данные рентгенологических исследований, разрабатывают методики исследований, развивается рентгеновская техника.

Образование рентгеновских лучей.

При пропускании тока высокого напряжения через вакуумную трубку с разрежением до 1/ 100000 атмосфер возникает поток электронов, который, встречая на своём пути препятствие, тормозит и тем вызывает возникновение электромагнитных колебаний большой частоты. Эти электромагнитные колебания и являются рентгеновыми лучами.
Генераторами рентгеновых лучей является рентгеновская трубка. Это стеклянный шар с высоким вакуумом; в этот шар впаяны электроды – катод с нитью накала и антикатод, являющиеся полюсами. Нить накала – служит источником электронов. При подведении высокого напряжения к полюсам трубки возникает электрическое поле. Электроны нити накала, как имеющие одноимённый заряд с отрицательным полюсом – катодом, отбрасываются от него с огромной силой, и прямолинейно летят вперёд. Этот поток электронов носит название катодных лучей.
Электроны катодных лучей обладают огромной кинетической энергией, зависящей от приложенного к полюсам трубки напряжения, являющегося потенциальной энергией электронов. Чем больше напряжение, тем больше потенциальная энергия электронов, больше количество колебаний, и тем короче возникает волна. Длина волны рентгеновых лучей обратно пропорциональна приложенному напряжению. Соотношение между длиной волны и напряжением выражается формулой:

12,34 λ = kU макс , где λ – минимальная длина волны, выраженная в ангстремах, 12,34 – коэффициент, kU – приложенное напряжение в киловольтах.
В момент удара электронов об антикатод весь запас кинетической энергии их переходит в тепло и электромагнитные колебания – рентгеновское излучение. При этом в рентгеновское излучение преобразуется весьма малая часть энергии катодного пучка – 1,5 – 1,5%; остальная энергия переходит в тепло. Это рентгеновское излучение называется рентгеновыми лучами излучения.
Лучи торможения представляют собой электромагнитные колебания разной частоты, так как образующие их электроны при столкновении с антикатодом в разной степени трансформируют свою кинетическую энергию. Одни из электронов тормозятся уже на поверхности антикатода и превращают всю свою энергию в тепло и электромагнитные колебания, другие – тормозятся в глубине металла антикатода и трансформируют только часть своей энергии. Имеет значение и синусоидное выражение переменного напряжения тока. Вследствие этого рентгеновы лучи торможения являются излучением с непрерывным спектром и по аналогии с видимым светом, называются белым излучением. Электромагнитные колебания в зависимости от длины волны, которая является выражением частоты колебаний, т.е. числом циклов изменений, происходящих в секунду, производят в среде различное действие, вследствие чего качество излучения вполне может характеризоваться частотой колебаний.
Длина волн электромагнитных колебаний чрезвычайно разнообразна от 100км до 0,0001 микромикрона (μμ) и даже меньше (космические лучи).

Ниже в нисходящем по длине волны порядке я привела некоторые известные лучи – электромагнитные колебания:

10 км – 10см . . . . . . . . . .радиоволны 1 см . . . . . . . . . . . . . . . . . .лучи Глаголевой Аркадьевой 1 – 0,1 мм . . . . . . . . . . . . .лучи тепловые 0,01 мм . . . . . . . . . . . . . . .лучи инфракрасные 0,76 – 0,4 μ . . . . . . . . . . . .лучи видимого света 0,1 μ. . . . . . . . . . . . . . . . . .лучи ультрафиолетовые 0,1 – 0,01 μ. . . . . . . . . . . . рентгеновы 0,001 – 0,0001 μμ . . . . . . .гамма-лучи радия

Из этой таблицы можно сделать вывод, что по длине волны рентгеновы лучи занимают место между ультрафиолетовыми и гамма-лучами радия. И действительно, наиболее длинноволновые рентгеновы лучи (мягкие рентгеновы лучи) пограничные, близки и по длине волны, и по действию к ультрафиолетовым, а наиболее короткие (жесткие рентгеновы лучи) – к гамма-лучам радия.
Количество или интенсивность рентгеновых лучей торможения пропорционально количеству электронов, тормозящих в антикатоде. Нужно думать, что каждый электрон при ударе в антикатод создает один квант энергии, который будем называть лучом. Чем больше ударов электронов в антикатод, тем больше будет создаваться рентгеновых лучей, а количество электронов зависит от силы тока, проходящего через трубку, что регулируется степенью накала спирали катода. Имеется прямая пропорциональная зависимость между силой тока и интенсивностью рентгеновых лучей. Сила тока, проходящего через трубку, измеряется в миллиамперах, сила тока накала - в амперах. Но интенсивность рентгеновых лучей увеличивается и от повышения напряжения при этой же силе тока – пропорционально квадрату напряжения по формуле: I0=kIU2, интенсивность рентгеновского излучения (I0) пропорциональна силе тока (I) и квадрату напряжения ( U2).
Качество рентгеновских лучей, способность их проходить через тела, жесткость, зависит от скорости полета электронов, их кинетической энергии, которая в свою очередь зависит от приложенного к полюсам трубки напряжения электрического тока. Приложенное к полюсам трубки напряжение является потенциальной энергией электронов. Чем больше напряжение, тем больше потенциальная, а, следовательно, и кинетическая энергия, сообщающая движение электронам, тем больше количество колебаний, тем короче волна излучения. Длина волны рентгеновых лучей обратно пропорциональна величине напряжения, приложенного к полюсам трубки.